Transcript Cryomodule設計

STF Cryomodule
開発状況
STF グループ
大内
2008/10/07
先端加速器連合推進室報告会
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内容
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2008/10/07
STFでのILC-Cryomodule開発
STF1
S1-Global
STF2
Summary
先端加速器連合推進室報告会
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ILC Cryomodule開発計画
• STF-1
– 2005年よりILC用Cryomoduleの開発を目標とし、STF-Cryomoduleの設計を始める。
– 2007年10月よりBL空洞1台、LL空洞1台を組み込んだCryomoduleの2Kでの低温試
験を行い、現在４連化BL空洞の低温試験を行っている。
• S1-Global
– ILCの運転加速勾配である31.5 MV/mを達成できるCryomoduleの建設。
– DESY, FNAL, INFN and KEKによる国際研究協力であり、Cryomoduleの設計作業が進
んでいる。
• STF-2
– ILCにおける1-RF-unit-moduleシステムの建設。
– 1-RF-unit module およびCapture moduleによるビーム運転。
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STF1: Cryomodule 関連
冷却システム
Cryomodule組立エリア
クリーンルーム内
組立作業
（4連化空洞）
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STF1: STFトンネル内Cryomodule
2K Cold Box
6m Cryomodule(4 cavities)
+
6m Cryomodule(4 cavities)
STF-1 Cryomodules
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STF1 : Cryomodule 設計
4 LL-Cavities (Module-B)
4 BL-Cavities (Module-A)
STF cryomodules：TTF-III cryomoduleが基本デザイ
ン
1. 超伝導空洞は内径300mmのガス回収配管の下に支
持されている。支持機構は、スライド機能を持つ。
2. 2台のCryomodule全長=13195 mm
BL-module=5515mm、LL-module=5950mm
3. 5K and 80K 熱輻射シールドを持つ。
4. 冷却配管の構成
蒸発ガス回収配管（内径300mm）
2K液体ヘリウム供給配管
予冷配管
5Kシールド冷却配管
80Kシールド冷却配管
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BL cavity-module断面
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STF1 : 2K低温試験 （冷却及び加温）
Cryomodulesの冷却及び加温
1. 4空洞の冷却－1 （室温～200K）
90K GHeを循環し冷却した。
ヘリウムガス流量＝ 1.0 g/s
空洞冷却速度＝ 7.3 K/h
2. 4空洞の冷却－2 （200K～4K）
4.2K LHeを空洞へ直接流し込み冷却した。
液体ヘリウムの使用量＝1630 L
空洞の冷却速度＝12.5 K/h.
冷却時間（室温～４K）＝ 49時間
3. 加温
2K～60K：自然昇温
60K～180K：室温のGHe1.0 g/sを循環。
180 K～室温：室温のGN29.2 g/sによる加温。
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STF1 : 2K低温試験 （熱負荷測定）
定常熱負荷測定
1. 2K 部への定常熱負荷（2K 液体ヘリウムの蒸発により測定）
• 液体ヘリウム (P=2.71 kPa, T=1.92K) の蒸発は、室温で体積流量計にて測定。
• ４空洞が組みこまれたCryomodule全体の熱負荷 = 5.4 W。
蒸発ガス量 = 0.440 g/s  熱負荷 = 9.8 W （2K cold box = 1.0 W、低温配管＝3.4 W）
• BL空洞、LL空洞各１台を組み込んだCryomoduleの熱負荷 = 1.2 W 、1.7 W。
2. 5K 部(5Kシールド) 及び 80K部 (80Kシールド)への定常熱負荷
• 冷却停止後の各シールドの温度上昇により測定。
• ４空洞が組みこまれたCryomoduleの5K部への熱負荷 = 8.2 W
• ４空洞が組みこまれたCryomoduleの80K部への熱負荷 = 66.1 W
Heat load measurement at 2K by LHe evaporation rate
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Heat load measurement at temperature rise of 5K shield
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STF1 : 計算による評価－1
Cryomodule内各コンポーネントの2K部への熱負荷
• 測定された温度分布を基に熱負荷を再計算。
Module-A （BL空洞）
• Module-A（BL空洞）の各コンポーネントの熱負荷の 合計= 蒸発測定から得られた熱負荷
• 最大の熱負荷 ：5K thermal-anchorを持たないRF-cables = 3.6 W for four cavities。
Module-B （LL空洞）
• 5K thermal-anchorを持つRF-cable= 0.03 W。
Measured Heat Load
Module A (1 Cavity)
Module B (1 Cavity)
Module A (4 Cavities)
5.6W
6.1 W
9.8 W
2K Cold Box
1.0 W
1.0 W
1.0 W
Transfer Tube
3.4 W
3.4 W
3.4 W
Cryomodule
1.2 W
1.7 W
5.4 W
Input Coupler
0.13 W
0.23 W
1.4 W
Beam Pipe
0.002 W
0.001 W
0.003 W
RF Cables
0.9 W
0.03 W
3.6 W
Signal Cables
0.05 W
0.14 W
0.05 W
Tuner
0.12 W
NA
0.48 W
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STF1:計算による評価－2
Input coupler (cold part)
IHEPとの共同研究
7.61K
5K thermal
interceptor
293K
80K thermal
interceptor
2K
110K
Support post + 5K shield
280K
300K
80K thermal
interceptor
88K
2K
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4.6K
5K thermal
interceptor
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STF1 : Module Bクライオスタットによる開発研究
Cryomodule内5Kシールドに対する検討 （2009年に予定）
ILC-cryomoduleのコスト及び熱的な検討；
• 5Kシールドがある場合とない場合の熱負荷へ与える検討
ILC Cryomodule内の冷却モード
5K ライン : input couplers, support posts, current leads
40K ライン : thermal radiation shield, support posts, current leads (44K)
HOM couplers, HOM absorber, input couplers (66K)
熱計算: 冷却を行うのに必要な室温部での仕事量の差 : 0.11 kW/Module（運転コスト）
• 5Kシールドのコスト及び組立ての簡素化による作業コストの軽減
STF-ModuleBクライオスタットを用い、5Kシールドの下部を取り外し熱的な影響を調べる。
Cross section
with 5K shield
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Cross section
without 5K shield
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STF1 : Cryomodule内コンポーネントの改善
RF cables熱設計の最適化
RF cableの仕様
80K thermal
interceptor
1. inner cable
2. elec. insulation
3. 1st shield
4. 2nd shield
5. jacket
6. length
Silver coated Cu wire 1.4 mm
PTFE
Silver coated Cu tape t=80 m
Silver coated Cu blade 0.1 mm×450
FEP
5.5 mm
1 m or 2 m
1m cableの熱負荷（計算）
室温 -> 80K
80K -> 2K
0.32 W
0.25 W
7 RF cables が１空洞に対して使用されている。
RF cableが最大の熱負荷となっている。
2K
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80K
ケーブルの熱負荷の最適化を図る必要がある。
長さ
5K thermal anchorの設計
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S1- Global
• 2008年4月21日~25日：FNAL SCRF Meetingにて議論される。
–
FNAL, DESY, KEKから31.5MV/mを超える加速勾配を持つ空洞8台をKEKに集め、STFで
運転する。
•
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–
–
–
FNAL： Tesla-type空洞（Blade tuner） 2台
DESY： XFEL-Tesla-type空洞（Saclay tuner） 2台
KEK：BL-Tesla-type空洞（Slide Jack tuner） 4台
目標平均加速勾配＝31.5MV/m
クライオスタット（Module C)及びFNAL・DESY用低温部品はINFNが製作する。
KEKは、Module Cとのインターフェイス及びModule Aを準備する。
• 2008年7月：INFN-KEK間のMOU締結（2008年8月1日~2011年
3月31日）
–
2008年：真空容器及び低温機器の設計を完成させる。
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•
–
2009年：Module C部品製作及びクライオモジュール組立
•
•
–
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2008年8月KEKによる全体設計
2008年9月INFNによる各部品の詳細設計開始
INFNによるModule C部品の製作及びKEKへの輸送
KEKにおけるモジュールCの組立
2010年：KEKによるModule Cの組込、及びS1-Global試験
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S1- Global : Cryomodule設計
1. Cryomoduleの設計はINFNとの共同研究で、既に進行中である。
• 3D CAD (I-Deas) による概念設計は概ね完了している。
• INFNが製作するCryomodule (Module-C)とのインターフェイスの設計作業を進めている。
• KEK と DESY & FNAL input couplersの位置は空洞パッケージに対して現状反対側に 取り付けられている。
• DESY 及び FNALのInput coupler間の距離＝ 1384.15 mm （XFELと同じ）
• KEKのInput coupler間の距離＝ 1337.0 mm（STF-Module Aでのパラメータ）
INFN
FNAL
Cryogenic system
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FNAL
DESY
DESY
Module C
KEK-BL
Module A
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S1- Global : 研究目標及び課題
1. ILCの運転仕様である31.5MV/mを達成する。
2. DESY, FNAL, INFN and KEK間でのCryomodule組立てに関する情報交換。
• Plug-compatibleの設計方針を持つILC-Cryomoduleの設計を進める上で、タイプの異なる
cavity-packageを実際に組立てることにより重要なデータを得ることが出来る。
• 組立て方法及びツールに関する情報交換
空洞アライメントの方法及び冶具、自動溶接機、自動パイプ切断機、等。
3. DESY, FNAL, KEKで開発されたコンポーネントの基本機能及び熱性能の比較。
• 31.5 MV/mで運転された場合のTuner及びInput Couplerの基本機能
Tuner: Saclay type, Blade type, Slide Jack type
Input coupler: TESLA input coupler, KEK coaxial window input coupler
• 熱特性
完全に同じ冷却機器を用いた条件化での熱負荷の測定及び比較
定常熱負荷
31.5 MV/mでのダイナミック損失
• 熱負荷のデータはILCの冷却システムの仕様を決定する上で非常に重要なデータとなる。
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S1- Global : Schedule (detail)
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STF2
~36m
~65m
• ILC 1 RF unit cryomodule systemの開発及び建設
– Cryomodule: 2 modules (9 cavities) + 1 module (8 cavity + 1 quadrupole)
•
Cryomodule設計 (CM-Type 5 或いは ILC-prototype)
– 10MW Multi-beam Klystron (RF system)
– Cryogenic systemの改造・増強
– クリーンルームの拡張
•
•
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9 空洞のクリーンルーム内での組立を可能にする。
既存のクリーンルームは4 空洞の組立用。
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• 基本設計
STF2 : Cryomodule設計
– STF2 Cryomoduleの設計  ILC Cryomodule Proto-type設計
– Plug compatibility
–
–
異なるタイプの空洞を組み込むことが可能
DESY, FNAL and KEK cavity-packages
– コスト低下を含めた熱設計の改善
•
•
•
Thermal shield system の再設計
– 5K ライン + 40 K shield
Thermal anchorの最適設計
– 5 K and 60 K thermal anchors
RF cables 最適設計
– 超伝導４極電磁石の開発
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STF2 : Schedule (cryomodule development)
Module-Aによる4空洞試験
Module-Bによるクライオスタット試験
（Details and operation are still under discussion.）
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Test of
One Long Module +
Capture Module
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今後の作業 (1)
• S1-Global
– 今回製作したCAD DataをINFN、DESY、FNALグループにチェックを依頼
– 部品図の製作（INFNとの共同作業）
•
CAD Dataの共有する方法の確認
–
–
EDMS（?）：KEK側にEDMS下でCAD作業を行う環境が整っていない。
EDMS以外の方法：I-Deas 3D Modeling dataのみの共有化。
– KEK側で必要となる部品図の製作
•
•
現在の作業をもとに、KEK側の部品図（3D Modeling Data）の製作
トンネル内の配置図の製作
–
•
2D図面の製作：各グループ間の確認作業
–
–
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RF Wave-guideシステムの設計には必要となる。
例えば、KEK BL空洞に於いても空洞ジャケット（チューナー）の設計変更がある。
これらのデータは、当然のことながらCryomoduleのCAD データに含まれるべきも
のであり、お互いに確認しなければならない。
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今後の作業 (2)
• STF2
–
–
–
ILC-Cryomodule Proto Typeを目指した設計（3D, 2D CAD）
冷凍機システムを含めたCryomoduleの熱・機械設計
• Cryomoduleの熱計算、コンポーネント試験（サーマルアンカーの最適化）
• アセンブリー及びアライメント方法の検討
超伝導４極電磁石の設計・建設・性能評価
• Cryomoduleへの組込・アライメントに関しても検討が必要
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